ТРЕНИЕ В ПРИРОДЕ И ТЕХНИКЕ

СИЛЫ, ПОРОЖДЁННЫЕ ВЯЗКОСТЬЮ

Мы познакомились с законами, которым подчи­няется сухое трение. Поговорим теперь об особенностях тормозящих сил в жидкостях и газах и рассмотрим вначале свойства вязкого трения в чистом виде.

Налейте в тарелку немного воды и опустите туда щепку. Подуйте на щепку — она поплывёт по воде. И даже если вы подули слабо, щепка всё равно сдви­нется с места. Совсем иначе вела бы себя та же щепка, положенная на стол; чтобы сдвинуть её с места, нужно было бы подуть на неё довольно сильно.

В обоих случаях щепку тормозят силы трения; но когда щепка лежит на столе — на неё действует сухое
трение со стороты стола; когда же щепка плавает в воде — на неё действует жидкое трение со стороны воды. Главное отличие жидкого (вязкого) трения от су­хого состоит в том, что не существует жидкого трения покоя. Как бы ни мала была сила тяги, она вызовет дви­жение тела в жидкости. Чем меньше эта сила, тем мед­леннее будет плыть тело, но застоя всё же не будет. Тре­ние покоя и вызываемый им застой — отличительное свойство сухого трения.

Вязкое трение возникает при движении твёрдых тел в жидкой или газообразной среде, например, ^ когда лодка или пароход плывут по реке, когда самолёт или

Птица летят в возду­хе. Оно возникает и в тех случаях, ког­да сама жидкость или газ текут мимо неподвижных твёр - Рис. 9. Течение жидкости по трубе. ДЫХ тел.

Стрелками показана скорость течения Причина возник-

Слоёв< новения вязкого тре­

Ния в обоих случаях одна и та же: трение между слоями жидкости или газа, текущими с разными скоростями, — так называе­мое внутреннее трение.

Если твёрдое тело движется в неподвижной среде, прилипший к нему слой воды или воздуха перемещается вместе с ним. При этом он скользит вдоль соседнего слоя. Возникает сила трения, увлекающая этот слой. Он приходит в движение и в свою очередь увлекает следую­щий слой и т. д. Чем дальше от поверхности тела, тем медленнее движутся слои жидкости или газа. Сила тре­ния между слоями тормозит более быстрые слои и, зна­чит, само твёрдое тело. Оно тормозится непосредственно вязким трением.

То же самое происходит, когда поток жидкости или газа течёт мимо неподвижного тела. В этом случае при­липший к поверхности тела слой неподвижен. Следую­щие слои движутся всё более быстро. Когда, например, вода течёт по трубе, то всего быстрее она движется в центре трубы (рис. 9).

Вязкое трение старается увлечь помещённое в поток тело. Чтобы оно оставалось неподвижным, его надо
удерживать с определённой силой, зависящей от силы вязкого трения.

Сила эта зависит от размеров поверхности тела, от скорости патока, а также от свойства самой жидкости или газа—от их вязкости. Чем более вязка жидкость, тем больше вязкое трение. У воды вязкость меньше, чем у канцелярского клея, а у клея — меньше, чем у, смолы.

Вязкость зависит от температуры жидкости. Почему, например, зимой мотор стоявшего на морозе автомобиля или трактора приходится разогревать? Делается это для того, чтобы согреть застывшее масло, залитое в мо­тор. Вязкость застывшего масла, а значит, и вязкое трение, испытываемое ходовыми частями мотора, так ве­лики, что мотор не может быстро вращаться.

Наоборот, вязкость газов с понижением температуры падает.

Возникает интересный и очень важный для практики вопрос: насколько толст прилегающий к погружённому в поток телу слой жидкости (или газа), в котором ско­рость заметно меняется от внутренних участков к на­ружным? В самом деле, ведь только в этом слое воз­никают силы внутреннего трения, определяющие вели­чину вязкого трения, действующего на тело. Там же, где слои жидкости текут с одинаковой скоростью, силы внутреннего трения отсутствуют. При этом жидкость, ра­зумеется, не перестаёт быть вязкой.

Учёные провели необходимые расчёты и измерения, и оказалось, что для одного и того же тела толщина слоя зависит от вязкости жидкости и от её скорости. Если жидкость очень вязкая и течёт совсем медленно, об­ласть, где возникают силы вязкого трения, простирается далеко от границ тела. Скорости слоев потока стано­вятся одинаковыми (и силы трения исчезают) только на большом расстоянии от поверхности тела. В этом слу­чае скорость слоёв потока постепенно убывает, начиная со слоёв, далёких от поверхности тела.

Наоборот, если вязкость жидкости мала, а поток бы­стрый, скорость потока остаётся постоянной вплоть до расстояний, очень близких к поверхности. Вся область, где слои скользят друг относительно друга, сжимается в очень узкий слой, прилегающий к твёрдой поверхности. Этот слой называют пограничным.

То же самое получается, конечно, и тогда, когда твёр­дое тело движется в спокойной жидкости или газе.

Когда самолёт летит в воздухе, его крылья увлекают за собой воздух. И вот, оказывается, что при планировании, когда пропеллер не будоражит воздух, скорость воздуха меняется на десятки метров в секунду на расстоянии всего в один миллиметр от крыльев. А на расстоянии несколь­зких сантиметров скорость воздуха уже практически равна нулю. В быстрых потоках маловязких жидкостей и газов внутреннее трение играет роль только в очень тонком по­граничном слое, и вязкое трение, тормозящее тело, обу­словлено только силами вязкости, возникающими в этом слое. За его пределами вязкость практически не играет никакой роли. Как раз в этом случае может приобрести значительную величину совсем другая тормозящая си­ла — сопротивление давления.